Photoresistance and electroresistance in ferroelectric tunnel junctions based on BaTiO3 and Hf0.5Zr0.5O2

Zusammenfassung

El desenvolupament de la tecnologia de la informació s’acosta a un coll d’ampolla. Avui dia les memòries FLASH DRAM i NAND han mostrat inconvenients com la baixa retenció de la informació, temps de commutació lents i problemes de robustesa. Altres memòries no volàtils (NVMs) emergents s’han convertit en candidates per a la propera era de computació neuromòrfica. Un tipus de NVM és la unió túnel ferroelèctrica (FTJ), que té una estructura de condensador simple, que consisteix en una capa ferroelèctrica ultraprima, que permet el transport per efecte túnel, intercalada entre dos elèctrodes metàl·lics. La commutació de la polarització ferroelèctrica entre dues direccions (PDOWN i PUP) modula les propietats de la barrera a la intercara amb els elèctrodes, cosa que conseqüentment causa canvis de conductància, és a dir, dóna lloc a electroresistència (ER). A diferència d’altres tipus de memòries ferroelèctriques, la lectura de l’estat de memòria de les FTJ no pertorba el seu estat de polarització (estat de memòria). Les FTJs mostren bona retenció durant molt de temps (> 10 anys) i més robustesa després cicles de lectura/escriptura (> 106 vegades). Els òxids basats en HfO2 dopat mostren ferroelectricitat en forma de làmina ultraprima (<20 nm). En forma policristalina es poden utilitzar per fabricar NVMs, per la seva alta compatibilitat amb la tecnologia CMOS. En aquest treball, capes primes de HfO2 dopades amb Zr (Hf0.5Zr0.5O3, HZO) es van créixer epitaxialment mitjançant la tècnica de dipòsit per làser pulsat i es van fer servir per construir FTJ. Tot i la naturalesa epitaxial de les capes obtingudes, les capes contenen fronteres de gra entre les fases ferroelèctrica (ortorròmbica) i no ferroelèctrica (monoclínica) del material. D’això se’n dedueix que la conmutació de la polarització en els grans ferroelèctrics succeix, però també es poden crear canals conductors al llarg de les fronteres dels grans. Si bé anteriorment s’havia proposat que l’ús d’una capa protectora adequada és útil per mitigar la contribució de la conducció elèctrica a les fronteres de gra, anomenats canals de moviment iònic, en capes relativament gruixudes (> 5 nm), quedava per veure si la mateixa estratègia podria ser emprada en barreres HZO més primes. Aquest ha estat el primer objectiu daquesta tesi doctoral. Un segon objectiu, íntimament lligat a l’anterior, és que l’aplicació d’alt voltatge a FTJs causa una reducció de la seva resistència (suau ruptura) que afecta a la ER i per tant al seu ús potencial com a memòria ferroelèctrica. Per tant, entendre les propietats de la unió després de la ruptura és d’alta rellevància i ha centrat part de la recerca realitzada durant el desenvolupament de la present tesi. Tipicament, l’estat de la memòria ferroelèctrica s’estableix mitjançant un camp elèctric (voltatge) que selecciona la direcció de polarització i, per tant, l’estat de resistència (alt/baix, HRS/LRS). Tot i això, investigar esquemes d’escriptura alternatius és de potencial interès. L’escriptura òptica és una de les opcions possibles. Malauradament, per als dispositius que funcionen en el rang de llum visible, HZO no és apropiat pel fet que el seu ampla de banda és excessivament gran. Per contra, capes de BaTiO3 comunament mostren fotoabsorció al rang del visible i, per tant, són candidates per a aquest mode d’operació. Es van fabricar FTJ BTO de 4 nm de gruix, els camps elèctrics interns trenquen la degeneració entre PUP i PDOWN a favor d’un dels estats. En el nostre cas, es va trobar que s’afavoria PDOWN. Es va observar el canvi de polarització induït per la llum de PUP a PDOWN i, posteriorment, es va observar un canvi de baixa a alta resistència induït òpticament.